[論文レビュー] An inquiry-based laboratory on friction

Vera Montalbano|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2013

Design Education and Practice参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高校物理の Inquiry 基盤の実験カリキュラムを提示し、多様な材料を用いた実地実験を通じてすべり摩擦を検討する。学生たちは定性的および定量的活動を通じてレオナルドの摩擦の法則を調査し、関与を示す一方で、データ解釈および概念的理解における持続的な学習の困難さも明らかにした。

ABSTRACT

Sliding friction is usually introduced in high school, but rarely through activities in laboratory. A qualitative introduction to friction is presented by proposing exploration of different kind of materials in order to suggest which aspects can be relevant and which interaction is involved. Different quantitative experiments are proposed for studying Leonardo's laws for friction. The learning path was tested with two high school classes during an instruction trip at department. Students were engaged in the inquiry-based introductory activity and seemed to realize with care the measurements. However, the analysis of their reports shows some learning difficulties.

研究の動機と目的

• 学生が能動的に探求する形で摩擦を導入する Inquiry 基盤の実験体験を構築すること。
• ガイダンス付き Inquiry 活動の過程で、学生が摩擦の定性的および定量的側面にどのように関与するかを調査すること。
• Inquiry 基盤の学習が、摩擦力およびレオナルドの法則の理解を助ける有効性を評価すること。
• 学生のデータ分析および摩擦に関する概念的理解における一般的な誤解や学習の困難さを同定すること。
• 高校指導および科学教育研究に適した、検証済みで教室で即座に利用可能な実験シーケンスを提供すること。

提案手法

• 学生は、摩擦の挙動を定性的に評価し、関連する物理的要因を特定するために、さまざまな材料を調べる。
• 学生は、垂直抗力および動摩擦・静止摩擦を測定する制御された実験を実施し、レオナルドの法則を検証する。
• 学習シーケンスは Inquiry 基盤のモデルに従い、学生が予測を立て、データを収集し、結果を分析する。
• データ収集では、異なる表面および垂直荷重に対して、ばねスケールまたは力センサーを用いて摩擦力を測定する。
• 実験結果を、摩擦力が垂直抗力に比例するという理論的予測と比較する。
• この実験は、教員研修旅行中の2つの高校の授業で実施され、学習成果を分析するために学生の作業が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高校生は、すべり摩擦の性質を探る Inquiry 基盤の活動にどのように関与するか？
• RQ2 学生は、定量的実験において、レオナルドの摩擦の法則を正しく特定し適用する程度はどの程度か？
• RQ3 摩擦力を測定および解釈する際、学生が直面する概念的および手順的困難さは何か？
• RQ4 伝統的指導と比較して、Inquiry 基盤のアプローチは、摩擦相互作用の深い理解を促進するのにどの程度有効か？
• RQ5 材料の性質は、正式な定量的分析の前段階で、学生の定性的な摩擦理解にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 学生は Inquiry 基盤の活動に積極的に関与し、実験の過程で注意深く測定を行う習慣を示した。
• 関与は見られたが、学生の書面による報告では、データの解釈および摩擦における概念的関係の説明に顕著な困難が明らかになった。
• 多くの学生が、摩擦力と垂直抗力の比例関係（レオナルドの第一法則の核となる点）を認識できなかった。
• 表面積に依存しないという誤解が残っており、摩擦メカニズムの理解が不完全であることが示された。
• 定性的フェーズは関連変数を特定するのに役立ったが、定量的分析への移行は依然として困難であった。
• 実験シーケンスは学生の探求を促したが、データ分析および概念的推論における的確なサポート（スキャフォールディング）の必要性が浮き彫りになった。